C++ STL 基础与多线程安全性说明文档

C++ STL 基础与多线程安全性说明文档

一、STL 简介

STL（Standard Template Library，标准模板库）是 C++ 标准库的重要组成部分，提供了常用的数据结构和算法的泛型实现，极大地提高了代码的复用性和开发效率。

STL 的六大组件

1. 容器（Containers）：如 vector、list、deque、set、map、unordered_map 等，用于存储数据。
2. 算法（Algorithms）：如 sort、find、for_each 等，作用于容器。
3. 迭代器（Iterators）：提供一种统一方式遍历容器元素，是容器与算法之间的桥梁。
4. 函数对象（Function Objects / Functors）：可作为算法的参数，具有函数调用运算符。
5. 适配器（Adapters）：对容器或函数进行包装，如 stack、queue、priority_queue、bind。
6. 分配器（Allocators）：内存分配策略的封装，一般使用默认即可。

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二、STL 容器性能对比

常见 STL 容器性能分析

容器	插入	删除	查找	随机访问	是否排序	是否允许重复
vector	尾部 O(1)，中间 O(n)	O(n)	O(n)	O(1)	否	是
list	任意位置 O(1)*	O(1)*	O(n)	否	否	是
deque	头尾 O(1)，中间 O(n)	O(n)	O(n)	O(1)	否	是
set / map	O(log n)（红黑树）	O(log n)	O(log n)	否	是	否
unordered_set / unordered_map	平均 O(1)，最坏 O(n)	O(1)	O(1)	否	否	否
stack / queue / priority_queue	O(1) 或 O(log n)	O(1) 或 O(log n)	无查找	否	否	N/A

注：list 的插入/删除在给定迭代器位置下是 O(1)，但查找该位置是 O(n)

推荐使用场景

场景需求	推荐容器
快速插入删除，频繁操作两端	deque、list
快速尾部插入和随机访问	vector
快速查找，自动排序	set、map
快速查找，顺序无关	unordered_set、unordered_map
需要先进先出 / 后进先出	queue、stack
需要大顶堆、小顶堆	priority_queue

Demo: 查找性能对比

#include <iostream>
#include <vector>
#include <set>
#include <unordered_set>
#include <chrono>using namespace std;
using namespace std::chrono;const int N = 1e6;
int target = N - 1;int main() {vector<int> v;set<int> s;unordered_set<int> us;for (int i = 0; i < N; ++i) {v.push_back(i);s.insert(i);us.insert(i);}auto t1 = high_resolution_clock::now();auto it1 = find(v.begin(), v.end(), target);auto t2 = high_resolution_clock::now();cout << "vector find time: " << duration_cast<microseconds>(t2 - t1).count() << "us" << endl;t1 = high_resolution_clock::now();auto it2 = s.find(target);t2 = high_resolution_clock::now();cout << "set find time: " << duration_cast<microseconds>(t2 - t1).count() << "us" << endl;t1 = high_resolution_clock::now();auto it3 = us.find(target);t2 = high_resolution_clock::now();cout << "unordered_set find time: " << duration_cast<microseconds>(t2 - t1).count() << "us" << endl;return 0;
}

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三、STL 容器的多线程安全性分析

STL 容器线程安全原则

• ✅ 只读共享是安全的（多个线程只读）
• ❌ 写入操作必须加锁保护
• ❌ 多线程同时修改同一个容器是危险的

各容器线程安全性对比

容器	多线程只读	多线程写入	是否自带同步
vector	✅ 安全	❌ 不安全	❌ 无同步
map / set	✅ 安全	❌ 不安全	❌ 无同步
unordered_map	✅ 安全	❌ 不安全	❌ 无同步
queue / stack	❌ 一般不安全	❌ 不安全	❌ 无同步

常见错误示例

#include <vector>
#include <thread>std::vector<int> v;void writer() {for (int i = 0; i < 10000; ++i) {v.push_back(i);  // ❌ 非线程安全}
}int main() {std::thread t1(writer);std::thread t2(writer);t1.join();t2.join();return 0;
}

正确写法：加锁保护

#include <vector>
#include <mutex>
#include <thread>std::vector<int> v;
std::mutex mtx;void safe_writer() {for (int i = 0; i < 10000; ++i) {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);v.push_back(i);}
}

替代方案与推荐库

目标	替代建议
并发队列	boost::lockfree::queue、TBB、Folly、MoodyCamel
并发哈希表	tbb::concurrent_hash_map、libcds
自定义多线程容器封装	封装 std::mutex 或使用 shared_mutex

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四、最佳实践

• 所有写操作务必加锁，或使用原子容器
• 避免在遍历期间修改容器
• 如果性能要求高，考虑使用专用并发容器库
• 使用 condition_variable + mutex 实现生产者消费者模型